光纤传感神经构造煤矿安全的生命通道

2014-02-27 10:40:15 作者:缪璇钱六宝章骅唐璜责任编辑: sillyna 收藏本文

近年，分布式光纤传感技术得到快速发展，并且逐渐从实验研究走向实际应用，目前已成功应用于土木工程、安全防护、军事、交通等领域。这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。

【CPS中安网 cps.com.cn】目前，我国正处于经济的转型期，随着工业化和市场经济的快速发展，我国能源需求量不断增加，煤炭产量从2000年的9.99亿吨增加到2007年的25.23亿吨。尽管社会经济发展水平和安全技术装备水平都在不断提高，政府、企业及整个社会更加重视安全。法律法规的约束、监察监管力度更大，但是煤矿安全生产形式依然十分严峻。

我国是世界上煤炭伤亡事故发生频率最高的国家, 平均每百万吨煤炭死亡率是美国的200倍、印度的8倍、世界平均的12倍。这还不包括事实上存在的大量瞒报、虚报情况。从2000年至2007年10月，我国煤矿共发生各类安全事故26602起，造成39596人死亡。其中一次死亡10人以上的特别重大事故427起，造成10508人死亡。建国以来全国煤矿共发生24起一次死亡100人以上特别重大事故、死亡3840人，其中瓦斯事故21起，死亡3437人。2004年至2007年是我国煤矿安全事故的高发期，在这6年间就发生了一次死亡100人以上的特别重大事故9起，特别是2004年和2005年，在这两年中，全国煤矿共发生100人以上死亡事故6起。矿难频发不停地拷问着我国煤矿生产的安全体制，监管部门的监管效能，行政部门的职责履行问题。

　　近年来，我国出台了多项措施整顿煤矿安全生产问题。先后出台并完善了《安全生产法》、《煤矿安全监察条例》、《煤矿安全规程》等多项法律法则及行业标准;煤矿安全监管体制不断完善、安全监控力度不断加强;关闭不具备安全生产条件的小煤矿，淘汰产能落后煤矿;提高机械化作业程度，进一步优化产业结构。这些措施与方法已经取得了比较明显的成效与成绩。2011年全国煤矿发生事故1201起、死亡1973人，同比减少202起、460人，分别下降14.4%和19.0%,首次降到了2000人以下;较大事故同比减少25起、105人，分别下降21.7%和20.3%;重特大事故同比减少3起、182人，分别下降了12.5%和34.2%;特别重大事故起数首次减少到1起。煤炭百万吨死亡率0.564，同比下降24.7%。全国超过1000处煤矿实现了安全生产1000天以上，创出了历史最好水平。

　　虽然安全生产形势持续好转，但整体形势依然严峻。矿难发生时，人的生命永远是第一位的，如何在生命救助的黄金期打通生命通道，快速救援是决定生命能否得救的关键。在垮塌发生后救援的第一步是确定被困人员的存在，第二步是搜索、定位被困人员的位置。救援人员如何迅速确定被困人员所处方位，进而实现与他们的紧急通信，监听被困被困人员情况，把伤害降低到最低限度，从而实现高效救治，是一个急待解决的问题，也是科研工作者长期追求的目标之一。以前隧道施工过程中一旦发生垮塌，只能进行自外而内地单向营救，不能准确定位出被困者位置，不知道垮塌深度，无法了解被困者情况，造成了救援时间的浪费，错过了生命救助的黄金期。

　　目前，国内外采用的技术设备主要有以下几种：

　　1.利用光反射进行生命探测的。即所谓的“蛇眼”探测仪。学名叫“光学生命探测仪”。仪器的主体非常柔韧，像通下水道用的蛇皮管，能在瓦砾堆中自由扭动。仪器前面有细小的探头，可深入极微小的缝隙探测，类似摄像仪器，将信息传送回来，救援队员利用观察器就可以把瓦砾深处的情况看得清清楚楚。缺点是，探测距离非常短，只适合于搜索人员接近被困人员或地表废墟中搜救。

　　2.热红外生命探测仪，它具有夜视功能，原理是通过感知温度差异来判断不同的目标，因此在黑暗中也可照常工作。缺点也是，搜索、探测距离很短，对于较长距离的隧道(坑道)无能为力。

　　3.声波振动生命探测仪，靠的是识别被困者发出的声音。这种仪器有3-6个振动传感器，它能根据各个传感器感知声音先后的微小差异来判断幸存者的具体位置。该仪器可设置为对语音具有极高的灵敏度。如果幸存者已经不能说话，只要用手指轻轻敲击，发出微小的声响，也能够被它探测到。这是一种很有前途的探测仪。但关键是噪声的影响不能太大。对于负责的隧道坑道，如果无法接近被困人员，则远距上，仪器性能难以发挥。

　　以上3种搜索仪器都是国际上比较先进的，带有搜索功能的设备，但他们在恶劣环境里应用都有所局限，最大的问题是，搜索距离短，并且不具备与被困人员的通讯功能。

　　4.基于射频IP技术的定位系统。这是目前国际国内已经采用的，相对成熟的矿井、隧道、坑道人员管理/定位系统。不仅用于事故后人员定位，也用于日常人员管理。其基本原理是，在井、道中一定间隔距离(150-200米)设置感应电路作为自动询问接收站，人员均佩戴唯一标识的射频IP电子识别卡。这样，只要基站附近有电子识别卡(即人员)，基站即可感知并能将信息(人员标识、数量等)发送到外部控制中心。

　　但该设备存在的不足是，1、整个系统基于无线数据传输技术，易受电磁干扰;2、系统用电的环节过多，存在安全隐患;3、不具备紧急通讯功能;4、造价过高，一套完整系统上百万，甚至数百万。

　　针对上述问题，我们考虑能否找到一个高效低价的可以沟通垮塌点内外的感应传输媒介。传统的电缆驱动的电传感器以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、易爆环境中容易引起事故等，这样在隧道里应用是相当危险的，且存在选点易遗漏、监测数据可靠性不高、传感器易受环境腐蚀、长期使用维护不易等缺点。而现代光电传感技术的发展，使用轻巧方便的分布式光纤压力传感器来代替原来的普通探测器阵列已成为可能，并因其优越的性能而具有巨大的发展潜力。

　　光纤监测技术是国际上七十年代后期才迅速发展起来的一种现代化监测技术，在航空、航天领域中已显示了其有效性。在土木、交通、地质工程领域的应用才刚刚开始，并受到了各发达国家研究机构的普遍重视，发展前景十分良好。尤其是近年来开发的分布式光纤传感技术，使光纤传感的应用领域得到进一步拓展。

　　所谓分布式光纤传感技术，即将整个长度范围内的光纤均用作传感器，探测在光纤敷设范围内任意点的特定信息，而不是仅局限于光纤上的某一点或是只是用光纤联结局部测试用传感器。首个分布式光纤传感技术原理是上世纪80年代被提出的。由于它具有可以获得被测量信息在空间和时间上连续分布的特点，非常适合于大型工程结构监测、长距离管线监控、大范围地域安防等领域。90年代以来，国内外许多研究机构和公司都投入了大量人力物力财力进行这方面的研究，分布式光纤传感技术得到快速发展，基于各种原理的分布式光纤传感器被开发出来，并且逐渐从实验研究走向实际应用。目前分布式光纤传感技术已被应用于土木工程、安全防护、化工、军事、交通等许多领域。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。

　　近期，由我国自主研制基于弹光效应和白光干涉技术，开发的分布式光纤监测技术，填补了国内隧道、坑道事故救援监测的空白。

　　实现功能包括：

　　1.能够探测极宽频率范围内的各种震动信号，从而及时搜索人员生命迹象;

　　2.能够根据探测到的振动信号，对振动源(即受困人员位置)进行定位;

　　3 。能够实时回放光缆附近人员说话的语音。

　　具体实施方法是，在隧道(坑道)施工中即铺设加强光缆。光缆即作为声音(振动)传感器，同时，也作为通讯传输介质。一旦发生意外，导致人员被困，则光缆可以敏感探测到被困人员的各种振动信号，包括说话的语音到轻微的敲击动作。外部人员可以操作光缆另一端的主机(最远可达80公里外)实时分析振动情况，或者回放人员语音，从而判断受困人员位置和并通过语音得到其他一些基本信息，便于开展下一步救援行动。